[논문 리뷰] Tidal disruption jets as the source of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Glennys R. Farrar, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 제트를 갖는 thủy문파괴현상(TDEs)이 초고에너지우주선(UHECRs >10^20 eV)을 가속화할 수 있으며, 자기장에 의한 구속 조건인 Hillas 기준을 충족시킨다고 제안한다. Swift J1644+57의 관측 결과, 외부 제트 영역은 UHECR 생성에 필요한 충분한 B×R(자기장 × 크기)와 에너지 예산을 갖추고 있으며, 모델링 결과 BR ≈ 3×10^17 가우스·cm로 나타나, 양성자 가속화의 임계값에 정확히 도달함을 보여주며, TDE 제트가 순수 양성자 조성의 UHECR의 타당한 원천임을 뒷받 under다.

ABSTRACT

Observations of the spectacular, blazar-like tidal disruption event (TDE) candidates Swift J1644+57 and J2058+05 show that the conditions required for accelerating protons to 10^{20} eV appear to be realized in the outer jet, and possibly in the inner jet as well. Direct and indirect estimates of the rate of jetted-TDEs, and of the energy they inject, are compatible with the observed flux of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and the abundance of presently contributing sources. Thus TDE-jets can be a major source of UHECRs, even compabile with a pure proton composition.

연구 동기 및 목표

• 수직파괴현상(TDEs)에 동반된 상대론적 제트가 초고에너지우주선(UHECRs)의 원천이 될 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 자기장 강도와 크기의 조건이 10^20 eV까지 양성자를 가속화하는 데 필요한 Hillas 기준을 충족하는지 테스트하기 위해.
• 제트를 띤 TDE의 관측된 비율과 에너지 주입률이 관측된 UHECR 유량과 도착 방향의 군집 부재를 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• TDE 제트에서 관측된 에너지 증가 현상이 물리적 모델, 특히 역코맘프턴 냉각 효과와 어떻게 조화를 이룰 수 있는지 재정립하기 위해.

제안 방법

• UHECR 가속화 잠재력을 평가하기 위해 TDE 제트에 Hillas 기준(BR ≥ 3×10^17 Γ^−1 Z^−1 E_20 가우스·cm)을 적용하기 위해.
• Swift J1644+57의 등가분배 추정치와 라디오/X선 관측 자료를 사용하여 자기장 강도와 제트 에너지 함량을 추정하기 위해.
• 내부 및 외부 제트 영역에서 B×R를 추정하기 위해 블라자르 유사 방출 메커니즘(동기복사 및 외부 역코맘프턴 복사)을 사용하여 X선 및 라디오 방출을 모델링하기 위해.
• X선 광자에 의한 라디오 방출 전자에 의한 역코맘프턴 냉각을 고려하여, 등가분배 분석에서 제트 에너지가 과소평가될 수 있음을 고려하기 위해.
• TDE에서 유추된 에너지 주입률을 관측된 UHECR 유량과 소스 밀도 제약 조건과 비교하기 위해.
• 측정된 TDE 비율(van Velzen & Farrar, 2014)을 사용하여 관측된 UHECR 유량을 설명하기 위해 필요한 활성 소스의 수를 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Swift J1644+57와 같은 수직파괴현상의 외부 제트 영역이 10^20 eV까지 양성자를 가속화하기 위한 Hillas 기준을 충족할 수 있는가?
• RQ2 Swift J1644+57의 라디오 방출 영역에서 관측된 에너지 예산과 B×R 곱이 UHECR 생성에 충분한가?
• RQ3 Swift J1644+57에서 시간이 지남에 따라 관측된 제트 에너지 증가 현상은 실제 에너지 주입을 반영하는가, 아니면 역코맘프턴 냉각에 의한 오염일 뿐인가?
• RQ4 관측된 TDE 비율과 에너지 주입률이 관측된 UHECR 유량과 도착 방향의 군집 부재를 설명할 수 있는가?
• RQ5 TDE 제트가 주요 원천이라면, UHECR의 조성이 순수 양성자 기원과 일치하는가?

주요 결과

• Swift J1644+57의 외부 제트 영역은 약 3×10^17 가우스·cm의 B×R 곱을 가지며, 이는 10^20 eV까지 양성자를 가속화하기 위한 Hillas 기준을 정확히 충족시킨다.
• 등가분배 추정치는 일주일째부터 후속 관측까지 제트 에너지가 20배 증가한 것으로 보이지만, 이는 아마도 역코맘프턴 냉각으로 인해 동기복사 방출이 억제되어 발생하는 오차일 가능성이 높다.
• Kumar 등(2013)의 보다 정확한 모델링 결과, 실제 B×R는 몇 배 더 크게 추정되며, 이는 Hillas 조건을 여유 있게 충족함을 시사한다.
• Swift J1644+57의 최소(등가분배) 제트 에너지 0.8×10^51 에르그는 관측된 UHECR 스펙트럼을 생성하는 데 필요한 에너지와 일치한다.
• 관측된 TDE 비율과 에너지 주입률은 관측된 UHECR 유량과 소스 밀도 제약 조건과 호환되며, TDE 제트가 UHECR의 주요 원천임을 지지한다.
• 내부 제트 영역은 더 제한된 관측 자료를 바탕으로 하지만, 다양한 모델에서 B×R 추정치는 수십 ×10^15에서 5×10^17 가우스·cm 범위를 가지며, 내부 제트 영역에서도 UHECR 가속화 가능성이 있음을 시사한다.